用于利用多尺度捕集型真空泵送改善高性能FRC的支持的系统和方法技术方案

有利于形成和维持具有优异稳定性以及粒子、能量和通量约束的FRC的系统和方法，并且更具体地，利用多尺度捕集型真空泵送有利于形成和维持具有升高的系统能量和改善的支持的FRC的系统和方法。

A System and Method for Improving High Performance FRC Support by Multiscale Trapping Vacuum Pumping

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于利用多尺度捕集型真空泵送改善高性能FRC的支持的系统和方法
本文中所描述的本主题总体上涉及具有反向场构型（FRC）的磁等离子体约束系统，且更具体地，更具体地，涉及有利于利用多尺度捕集型真空泵送（multi-scaledcapturetypevacuumpumping）形成和维持具有升高的系统能量和改善的支持的FRC的系统和方法。
技术介绍
反场构型（FRC）属于被称作紧凑环（CT）的磁等离子体约束拓扑的类别。它主要展现极向磁场并具有为零或者小的自生环形场（见M.Tuszewski,Nucl.Fusion28,2033（1988））。这种构型的吸引力在于其简单的几何形状以便于构造和维护，用于有利于能量提取和灰移除的自然不受限制的偏滤器，以及非常高的β（β是FRC内平均等离子体压力与平均磁场压力的比率），即，高功率密度。高β性质对于经济的操作以及对于使用先进的、无中子燃料（诸如，D-He3和p-B11）是有利的。形成FRC的传统方法使用反场角向箍缩技术，产生热的高密度等离子体（见A.L.HoffmanandJ.T.Slough，Nucl.Fusion33,27（1993））。对此的一变型是平移-捕获方法，其中在角向箍缩“源”中产生的等离子体或多或少地立即从一端喷射出到约束室中。然后将平移的等离子体团捕获在室的端部处的两个强镜之间（见，例如，H.Himura,S.Okada,S.SugimotoandS.Goto,Phys.Plasmas2,191（1995））。一旦在约束室中，则可以施加各种加热和电流驱动方法，诸如，束注入（中性的或中和的）、旋转磁场、RF或欧姆加热等。源和约束功能的这种分离为潜在的未来聚变反应器提供关键的工程优点。FRC已被证明极为稳健，适应于动态形成、平移和剧烈捕集事件。此外，它们示出倾向于呈现优选的等离子体状态（见例如H.Y.Guo,A.L.Hoffman,K.E.MillerandL.C.Steinhauer，Phys.Rev.Lett.92,245001（2004））。在过去十年中，在研发其他FRC形成方法方面已取得了显著进展：合并具有反向螺旋性的球马克（见例如Y.Ono，M.Inomoto，Y.Ueda,T.MatsuyamaandT.Okazaki,Nucl.Fusion39,2001（1999））和通过用旋转磁场（RMF）来驱动电流（见例如I.R.Jones,Phys.Plasmas6,1950（1999）），其也提供附加的稳定性。最近，很久以前提出的碰撞合并技术（见例如D.R.Wells,Phys.Fluids9,1010（1966））已经显著地进一步发展：在约束室的相对两端处的两个单独的角向箍缩同时产生两个等离子体团并使等离子体团朝向彼此以高速加速；它们然后在约束室的中心处碰撞并合并以形成复合FRC。在迄今为止最大的FRC实验之一的构造和成功操作中，常规的碰撞合并方法被示出为产生稳定、长寿命、高通量、高温的FRC（见例如M.Binderbauer，H.Y.Guo，MTuszewski等，Phys.Rev.Lett.105,045003（2010））。FRC包括分界面内的闭合场线的环和正好在分界面外的开放场线上的环形边缘层的环。边缘层合并成超过FRC长度的射流，提供自然偏滤器。FRC拓扑与反场镜等离子体的拓扑一致。然而，显著差异在于FRC等离子体具有大约为10的β。固有的低内部磁场提供某些固有的动力学粒子群体（population），即，具有与FRC小半径相当的、大的拉莫尔半径的粒子。正是这些强动力学作用呈现为至少部分地有助于过去和现在的FRC（诸如，在碰撞合并实验中产生的那些）的总体稳定性。典型的过去的FRC实验已受对流损失主导，其中能量约束在很大程度上由粒子传输确定。粒子主要径向地从分界面容积扩散出来，并且然后轴向地损失在边缘层中。因此，FRC约束取决于封闭和开放场线区域两者的性质。到分界面外的粒子扩散时间尺度为（scalesas）τ~a2/D（a~rs/4，其中rs为中心分界面半径），并且D是特征FRC扩散率，诸如，D~12.5ρie，其中ρie表示离子回旋半径（gyroradius），其在外部施加的磁场下进行评估。边缘层粒子约束时间τ∥在过去的FRC实验中基本上是轴向通过时间。在稳态中，径向与轴向粒子损失之间的平衡产生分界面密度梯度长度δ~（Dτ∥）1/2。对于在分界面处具有相当大密度的过去的FRC，FRC粒子约束时间尺度为（ττ∥）1/2（见例如M.TUSZEWSKI，“FieldReversedConfigurations”，Nucl.Fusion28,2033（1988））。鉴于前述内容，因此，期望改善FRC的支持以便使用具有升高能量的系统的稳态FRC作为通向用于未来一代能源的轻核聚变的反应器芯的路径。
技术实现思路
在本文中提供的本实施例涉及有利于利用多尺度捕集型真空泵送形成和维持具有升高的系统能量和改善的支持的FRC的系统和方法。根据本公开的实施例，用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的方法包括：在约束室中形成关于等离子体的FRC，将多个中性束朝向约束室的中间平面成角度地注入到FRC等离子体中，利用第一和第二捕集真空泵来泵送积聚在联接到约束室的第一和第二正好相对的偏滤器中的中和的气体分子，第一和第二捕集真空泵被定位在第一和第二偏滤器中，且包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，第一和第二捕集真空泵所具有的粘附因子为限定等价于第一和第二捕集泵的开放侧部的面积的平板的粘附因子的超过四(4)倍大。根据本公开的又一实施例，第一和第二捕集真空泵的两个或更多侧部中的至少一个包括单独的捕集真空泵的阵列。根据本公开的又一实施例，单独的捕集真空泵中的每个包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，单独的捕集真空泵中的每个所具有的粘附因子大于限定等价于单独的捕集真空泵中的每个的开放侧部的面积的平板的粘附因子。根据本公开的又一实施例，第一和第二捕集真空泵所具有的粘附因子是限定等价于第一和第二捕集泵的开放侧部的面积的平板的粘附因子的N倍大，其中，N满足4<N<16。根据本公开的又一实施例，第一和第二真空泵和平板的表面包括沉积在其上的钛膜。根据本公开的又一实施例，该方法还包括：将紧凑环（CT）等离子体从第一和第二CT注入器朝向约束室的中间平面成角度地注入到FRC等离子体中，其中，第一和第二CT注入器在约束室的中间平面的相对两侧上正好相对。根据本公开的又一实施例，捕集真空泵包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，捕集真空泵所具有的粘附因子是限定等价于捕集泵的开放侧部的面积的平板的粘附因子的超过四(4)倍大。根据本公开的又一实施例，第一和第二捕集真空泵的两个或更多侧部中的至少一个包括单独的捕集真空泵的阵列。根据本公开的又一实施例，单独的捕集真空泵中的每个包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，单独的捕集真空泵中的每个所具有的粘附因子大于限定等价于单独的捕集真空泵中的每个的开放侧部的面积的平板的粘附因子。根据本公开的又一实施例，第一和第二捕集真空泵所具有的粘附因子是限定等价于第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的方法，所述方法包括以下步骤：在约束室中关于等离子体形成FRC，将多个中性束朝向所述约束室的中间平面成角度地注入到所述FRC等离子体中，以及利用第一和第二捕集真空泵来泵送积聚在联接到所述约束室的第一和第二正好相对的偏滤器中的中和的气体分子，所述第一和第二捕集真空泵被定位在所述第一和第二偏滤器中，且包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，所述第一和第二捕集真空泵所具有的粘附因子是限定等价于所述第一和第二捕集泵的开放侧部的面积的平板的粘附因子的超过四（4）倍大。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.04 US 62/4181191.一种用于产生和维持具有反场构型（FRC）的磁场的方法，所述方法包括以下步骤：在约束室中关于等离子体形成FRC，将多个中性束朝向所述约束室的中间平面成角度地注入到所述FRC等离子体中，以及利用第一和第二捕集真空泵来泵送积聚在联接到所述约束室的第一和第二正好相对的偏滤器中的中和的气体分子，所述第一和第二捕集真空泵被定位在所述第一和第二偏滤器中，且包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，所述第一和第二捕集真空泵所具有的粘附因子是限定等价于所述第一和第二捕集泵的开放侧部的面积的平板的粘附因子的超过四（4）倍大。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二捕集真空泵的两个或更多侧部中的至少一个包括单独的捕集真空泵的阵列。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述单独的捕集真空泵中的每个包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，所述单独的捕集真空泵中的每个所具有的粘附因子大于限定等价于所述单独的捕集真空泵中的每个的开放侧部的面积的平板的粘附因子。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述单独的捕集真空泵中的每个的两个或更多侧部中的至少一个包括第二阵列的单独的捕集真空泵。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二阵列的单独的捕集真空泵中的每个包括具有看到彼此的表面的两个或更多侧部、以及开放侧部，其中，所述第二阵列的单独的捕集真空泵中的每个所具有的粘附因子大于限定等价于所述第二阵列的单独的捕集真空泵中的每个的开放侧部的面积的平板的粘附因子。6.根据权利要求1至5所述的方法，其中，所述第一和第二捕集真空泵所具有的粘附因子是限定等价于所述第一和第二捕集泵的开放侧部的面积的平板的粘附因子的N倍大，其中，N满足4<N<16。7.根据权利要求1至5所述的方法，其中，所述第一和第二真空泵和所述平板的表面包括沉积在其上的钛膜。8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一和第二真空泵和所述平板的表面包括沉积在其上的钛膜。9.根据权利要求1至5和8所述的方法，所述方法还包括：通过将快中性原子的束从中性粒子束注入器朝向所述约束室的中间贯穿平面成角度地注入到所述FRC等离子体中，来维持所述FRC处于恒定值或大约恒定值而不衰减。10.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：通过将快中性原子的束从中性粒子束注入器朝向所述约束室的中间贯穿平面成角度地注入到所述FRC等离子体中，来维持所述FRC处于恒定值或大约恒定值而不衰减。11.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：通过将快中性原子的束从中性粒子束注入器朝向所述约束室的中间贯穿平面成角度地注入到所述FRC等离子体中，来维持所述FRC处于恒定值或大约恒定值而不衰减。12.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括以下步骤：利用围绕所述约束室延伸的准直流线圈来在所述约束室内产生磁场，并且利用围绕所述约束室的相对两端延伸的准直流镜线圈来在所述约束室的相对两端内产生镜磁场。13.根据权利要求10和11所述的方法，所述方法还包括以下步骤：利用围绕所述约束室延伸的准直流线圈来在所述约束室内产生磁场，并且利用围绕所述约束室的相对两端延伸的准直流镜线圈来在所述约束室的相对两端内产生镜磁场。14.根据权利要求12所述的方法，其中，形成所述FRC的步骤包括：在联接到所述约束室的相对的第一和第二生成部分中形成生成FRC，并且使所述生成FRC从所述第一和第二生成部分朝向所述约束室的中间贯穿平面加速，在所述约束室处所述两个生成FRC合并以形成所述FRC。15.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述FRC的步骤包括：在联接到所述约束室的相对的第一和第二生成部分中形成生成FRC，并且使所述生成FRC从所述第一和第二生成部分朝向所述约束室的中间贯穿平面加速，在所述约束室处所述两个生成FRC合并以形成所述FRC。16.根据权利要求14和15所述的方法，其中，形成所述FRC的步骤包括以下中的一者：形成生成FRC，同时使所述生成FRC朝向所述约束室的中间贯穿平面加速；以及形成生成FRC，然后使所述生成FRC朝向所述约束室的中间贯穿平面加速。17.根据权利要求14和15所述的方法，其中，使所述生成FRC从所述第一和第二生成部分朝向所述约束室的中间贯穿平面加速的步骤包括：使所述生成FRC从所述第一和第二生成部分传送通过联接到所述约束室的相对两端的第一和第二内部偏滤器，所述第一和第二内部偏滤器夹设在所述约束室与所述第一和第二生成部分之间。18.根据权利要求17所述的方法，其中，使所述生成FRC从所述第一和第二生成部分传送通过第一和第二内部偏滤器的步骤包括：当来自所述第一和第二生成部分的所述生成FRC传送通过所述第一和第二内部偏滤器时使所述第一和第二内部偏滤器不激活。19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括如下步骤：将所述FRC的磁通量表面引导到所述第一和第二内部偏滤器中。20.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括如下步骤：将所述FRC的磁通量表面引导到第一和第二外部偏滤器中，所述第一和第二外部偏滤器联接到所述生成部分的端部。21.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用围绕所述生成部分和偏滤器延伸的准直流线圈来在所述生成部分以及所述第一和第二外部偏滤器内产生磁场。22.根据权利要求19所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用围绕所述生成部分和偏滤器延伸的准直流线圈来在所述生成部分以及第一和第二内部偏滤器内产生磁场。23.根据权利要求21所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用准直流镜线圈来在所述第一和第二生成部分与所述第一和第二外部偏滤器之间产生镜磁场。24.根据权利要求21所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用围绕在所述生成部分与所述偏滤器之间的收缩部延伸的准直流镜塞线圈来在位于所述第一和第二生成部分与所述第一和第二外部偏滤器之间的收缩部内产生镜塞磁场。25.根据权利要求22所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用准直流镜线圈来在所述约束室与所述第一和第二内部偏滤器之间产生镜磁场，以及利用准直流低轮廓颈缩线圈来在所述第一和第二生成部分与所述第一和第二内部偏滤器之间产生颈缩磁场。26.根据权利要求9的任一项所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用联接到所述室的鞍形线圈来在所述室内产生磁偶极场和磁四极场中的一者。27.根据权利要求10和11中的任一项所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用联接到所述室的鞍形线圈来在所述室内产生磁偶极场和磁四极场中的一者。28.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括如下步骤：利用吸气系统来处理所述室的内表面以及第一和第二生成部分的内表面、夹设在所述约束室与所述第一和第二生成部分之间的第一和第二偏滤器的内表面、以及联接到所述第一和第二生成部分的第一和第二外部偏滤器的内表面。29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述吸气系统包括钛沉积系统和锂沉积系统中的一者。30.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括如下步骤：将等离子体从轴向安装的等离子体枪轴向地注入到所述FRC中。31.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括如下步骤：控制所述FRC的边缘层中的径向电场分布。32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述控制所述FRC的边缘层中的径向电场分布的步骤包括：利用偏压电极向所述FRC的一组开放通量表面施加电势分布。33.根据权利要求1至5和8所述的方法，所述方法还包括：将紧凑环（CT）等离子体从第一和第二CT注入器朝向所述约束室的中间平面成角度地注入到所述FRC等离子体中，其中，所述第一和第二CT注入...

【专利技术属性】
技术研发人员：A范德里，
申请(专利权)人：阿尔法能源技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US